对靶喷雾参数对雾滴沉积分布影响试验_杨会民.pdf

新疆农机化2023 年第 1 期文章编号：1007-7782（2023）01-0017-06对靶喷雾参数对雾滴沉积分布影响试验杨会民1,2，陈毅飞1，齐亚聪3，喻 晨1，杨征鹤3，王学农1,2（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091；2.农业农村部林果棉装备科学观测实验站；3.新疆农业大学机电工程学院）Test of influence of target spray sarameters on dropletdeposition distributionYang Huimin1,2,Chen Yifei1,Qi Yacong3,Yu Chen1,Yang Zhenghe3,Wang Xuenong1,2（1.AgriculturalMechanizationInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,830091,Xinjiang,China;2.ScientificObservationandExperimentalStationofForest,FruitandCottonEquipment,MinistryofAgricultureandRuralAffairs;3.CollegeofMechanicalandElectri-calEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity)Abstract:Under the condition of target spray,the spray mode changed from continuous to intermittent,and the sprinkler fre-quently opened and closed.The droplet distribution affected the position of the canopy.It is necessary to analyze the effect of dif-ferent spray parameters on the droplet distribution in the canopy of the target,so as to provide a theoretical basis for the verifica-tion and improvement of the overall performance of the target spraying robot.The experiment used automatic target sprayingrobot,using target and continuous two spray methods,choosing 0.5 m/s,0.75 m/s,1 m/s driving speed and 0.3 m,0.4 m,0.5 mand 0.6 m crop gap size,comparing two spray methods under different canopy positions of fog droplet coverage rate.The effectsof different speeds and different crop clearances on the coverage and uniformity of droplets in different positions under differentspraying conditionswere analyzed.The continuousspray and the twotarget spraying methods were used to spray the same toma-toplant,and the dosage of the target was compared with the continuous mode.The experimental results show that the change ofvehicle speed has a great impact on the target spray mode.When the driving speed is 0.5 m/s,the average droplet coverage ratecanreach 58.4%,and whenthe speed increasesto1.0 m/s,itdropsto33%.Whenthe driving speed is 1 m/s and the gap size is 0.3m,the lidar can not identify the crop gap,which results in the larger droplet coverage on both sides of the canopy,and the changetrend of droplet coverage is relatively stable with the increase of the gap;The coverage of the front canopy droplets under targetspray is smaller than that under continuous spray,and the po-sition of the canopy is basically the same.In the tomato rowwith 40%and 33.3%void ratio,the drug saving rates were44.8%and 39.0%at 0.5m/s,and 47.5%and 40.8%at 1 m/s.The target spray can automatically close the sprinkler in thegap position of the crops,effectively reduce the waste ofdrugs,and drive speed more effectively than the continuousway.Therefore,in the actual operation,we should choose the摘 要：在对靶喷雾状态下，喷雾方式由连续转变为间歇，喷头频繁开闭会影响冠层位置的雾滴分布，分析对靶喷雾状态下不同喷雾参数对作物冠层雾滴分布的影响，为验证并完善对靶喷雾机器人整体性能提供理论依据。试验使用自动对靶喷雾机器人，采用对靶与连续两种喷雾方式，选择0.5m/s、0.75m/s、1.0m/s的行驶速度与0.3m、0.4m、0.5m、0.6m的作物间隙大小，对两种喷雾方式下不同冠层位置的雾滴覆盖率进行对比，分析不同行驶速度与不同作物间隙对对靶喷雾状态下不同位置冠层雾滴覆盖率及均匀性的影响。采用连续与对靶两种喷雾方式对相同番茄作物行进行喷雾，通过测量药液使用量来获取对靶方式相对于连续方式下的省药率。试验结果表明，行驶速度变化对对靶喷雾方式影响较大，当行驶速度在0.5m/s时，平均雾滴覆盖率可达58.4%，当速度增大到1.0m/s时下降到33%；当行驶速度为1m/s、间隙大小为0.3m时，激光雷达无法识别此作物间隙从而造成两侧冠层雾滴覆盖率较大，随着间隙的增大雾滴覆盖率变化趋势相对平稳；对靶喷雾下的前冠层雾滴覆盖率较小于连续喷雾状态下的雾滴覆盖率，在中后冠层位置能够保持基本一致。在空隙比为40%和33.3%的番茄作物行中，在0.5m/s的行驶速度下省药率为44.8%和39.0%，在1m/s时省药率为47.5%和40.8%。对靶喷雾能够在作物间隙位置自主关闭喷头，有效减少药物浪费，行驶速度相比连续方式对其影响更大，因此在实际作业中应根据作物的种植密度来选择合适的行驶速度和作物检测范围，以提高冠层雾滴覆盖率。关键词：对靶；行驶速度；作物间隙；雾滴覆盖率；省药率修回日期：2022-10-24基金项目：自治区重大专项课题（2022A02005-5）；新疆设施农业智能管控技术重点实验室（XJYS1703）；新疆农科院自主培育项目（nkyzztd-003）；新疆农业科学院青年科技骨干创新能力培养项目（xjnkq-2023026）通讯作者：王学农doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2023.01.005中图分类号:S499文献标识码：A 开发研究 17新疆农机化2023 年第 1 期0引言我国农药的有效利用率较低，导致土地、水源中农药残留过高，造成了食品安全问题，使用对靶喷雾技术减少了农药浪费，消除了作业过程中对人体产生的危害。对靶喷雾状态下，喷雾方式由连续转变为间歇，受行驶速度、作物间隙及探测系统延时等因素影响，需分析不同作物冠层位置雾滴覆盖率变化规律，为完善对靶喷雾整体性能，确保最佳喷雾效果的同时解决农药过量喷洒带来的污染等问题，应将连续喷雾转变为对靶喷雾1-2。国内外学者对连续喷雾状态下的雾滴分布特性、雾滴漂移率等相关参数进行了试验研究，为农药使用提供了技术支持3-6。在对靶喷雾状态下，连续施药转变为间歇施药7-10，探测系统延时导致的迟滞喷雾11-12会影响冠层不同位置的雾滴覆盖率，同时对靶状态下不同对靶喷雾参数对作物不同冠层位置的雾滴沉积分布影响相关研究较少13。Giles等14-16基于机器视觉引导和可调喷嘴的精密带式喷药方式进行对靶喷雾，在目标植物上的喷雾沉积效率可提高2.53.7倍，在土壤上的非目标喷雾沉积减少了7290。何雄奎等17利用红外探测配合静电喷雾技术提高雾滴在作物冠层的雾滴覆盖率与均匀性。许林云等18利用自动对靶喷雾机分析对靶探测系统延迟并进行时间补偿，并与连续喷雾进行对比，获取对靶状态下的农药节省率。贾卫东等19使用果园对靶喷雾机在对靶状态下针对不同喷雾参数对冠层进行喷雾，并与连续喷雾进行对比，获取雾滴沉积分布特点。本研究采用自动对靶喷雾机器人在温室环境中选择不同行驶速度、不同作物间隙大小获取不同冠层位置的雾滴覆盖率情况。通过分析对靶喷雾状态下不同行驶速度、不同作物间隙大小情况下不同冠层位置的雾滴分布特点，获取对靶喷雾方式相较于连续喷雾方式的省药率。1材料与方法1.1仪器与设备试验选择新疆农业科学院农业机械化研究所研制的自动对靶喷雾机器人，该机器人主要通过激光雷达检测设定范围作物的有无，实时控制两侧电磁阀的启停以达到对靶喷雾的目的。喷雾机器人能够在作物间隙位置停止喷雾，从而减少温室环境中的药物浪费。该机器人采用激光雷达，在ROS机器人系统中使用SLAM（同步定位与地图构建）技术，在作物行进中建图后设置路线，机器人便会按照设定的路线图行走，从而减少人为干预，避免农药对人体健康造成损害，其整体结构如图1。图1对靶喷雾机器人整体结构示意1.横流风机2.液路系统3.喷头4.整机支架5.泵6.电磁阀7.底盘部分8.电池仓9.控制柜10.激光雷达11.药桶1.2试验材料试验在新疆农业科学院农业机械化研究所连栋温室内进行，为方便调整靶标作物间隙，选择盆栽番茄植株，生长期约90d，高度约1.7m。1.3试验内容1.3.1 不同对靶喷雾参数对雾滴覆盖率的影响在对靶与连续两种喷雾方式下，作物冠层雾滴覆盖率会随着行驶速度的变化而发生变化，但在对靶方式下由于探测系统延迟，会影响冠层位置的雾滴覆盖情况。在连续喷雾方式下，间隙不同对作物不同冠层位置的雾滴覆盖率没有影响，但在对靶喷雾方式中喷雾方式由连续转变为间歇，作物间隙较小可能会导致激光雷达无法识别从而造成无效喷雾，若激光雷达设定的探测角度较小，则又会造成喷雾单元在较小的作物间隙中频繁开闭，导致作物冠层雾滴分布不均，喷雾效果较差。本次试验激光雷达设置左右各15的检测范围，探测作物冠层距离设置为1m，当有作物在检测范围内时喷雾单元开启，对作物进行喷雾。选用对靶喷雾机器人，其行驶速度在0.51m/s的范围内，喷头与番茄冠层水平距离设置为0.4m。试验参数设置如表1，喷雾方式设置为连续与对靶两种方式，测试对靶喷雾机器人在不同速度和不同冠层间隙下的喷雾效果。图2为喷雾试验现场。图3为水敏纸放置示意图，X为两番茄冠层间隙，将每一部分冠层分为上、中、下、左、中、右九个冠层位置设置1234567891011suitable running speed and the range of crop detection according to the planting density of crops,so as to improve the canopydropletcoverage rate.Key words:Targeting;Travelspeed;Cropgap;Dropletcoverage;Drugsavingrate 开发研究 18新疆农机化2023 年第 1 期九个采样点，在每一采样点位置用订书针放置一张35 mm110mm大小的水敏纸，记录该冠层位置的雾滴覆盖情况，同时在两番茄冠层间隙上部中心位置放置一张同样大小的水敏纸，记录该位置的喷雾情况，将上、中、下三个位置平均雾滴覆盖率作为该冠层位置的雾滴覆盖率，将13个冠层位置进行编号。表1试验参数将完成喷雾变色后的水敏纸干燥后通过扫描仪完成扫描上传，通过软件进行处理。将待处理的水敏纸图片导入到软件中，框选要处理的部分，首先进行取消锐化操作，将变色雾滴位置在背景中凸显，然后将变色雾滴与背景图片分割，分割完成以后去除较小雾滴点以减小误差保证数据的准确率，最后计算出该水敏纸上的雾滴数、雾滴密度、雾滴均匀度及雾滴覆盖率等一系列雾滴数据，如图4。根据多组水敏纸处理结果可得到每个冠层位置的雾滴覆盖率。图2喷雾现场图3水敏纸放置示意图4水敏纸处理过程在喷雾覆盖率测试中，一般用变异系数CV评判喷雾的均匀性，当CV值在11%左右时，认为喷雾效果较好，变异系数越大喷雾效果越差，不能满足植保作业要求20。其中变异系数的计算方法为：CV=x?100%（1）式中CV变异系数；雾滴覆盖率标准差；x?平均值。1.3.2 对靶喷雾省药率试验对靶喷雾机器人可以在作物间隙位置停止喷雾，为测试对靶喷雾相较于连续喷雾的省药率，本次选择自动对靶喷雾机器人以0.5m/s和1.0m/s两种运行速度，通过与连续喷雾方式对同一行番茄作物喷雾进行对比。试验采用10L水桶，首先记录水桶总重量，开始进行连续喷雾，然后进行对靶喷雾，每次喷雾结束后记录水桶剩余重量，试验重复3次进行，取3次的平均值作为最终数据，表2为两番茄作物行参数。表2番茄作物行参数2试验结果与分析2.1试验结果通过对水敏纸进行处理后可以得到表3，即连续与对靶3种喷雾方式、3种行驶速度、4种作物间隙下不同冠层位置的雾滴覆盖率。2.1.1 不同行驶速度对雾滴覆盖率的影响图5为不同行驶速度下各个番茄冠层部分雾滴覆盖率变化趋势，其中横坐标为喷雾机器人行驶速度，纵坐标为冠层9个采样点的平均雾滴覆盖率，近似地作为整个冠层部分的喷雾覆盖率。图中两种折线代表连续喷雾与对靶喷雾两种方式，可知随着自动对靶喷雾机器人行驶速度的增大，冠层上的雾滴覆盖率也相对减小，两者具有线性关系。由图5可知对靶喷雾方式下的整体喷雾覆盖率小于连续喷雾状态下的喷雾覆盖率。在对靶喷雾方式下，冠层雾喷雾方式对靶连续间隙X（m）0.30.40.40.50.50.6速度 V（m s-1）0.500.751.00X行号12长度（m）20.021.0空隙长度（m）8.07.0空隙比（%）40.0%33.3%开发研究 19新疆农机化2023 年第 1 期滴覆盖率的下降趋势发生了改变，在0.50.75m/s的范围内的变化趋势大于在0.751.0m/s范围内的变化趋势，这是由于在速度变大过程中激光雷达无法探测到较小的作物间隙，电磁阀未关闭，从而造成局部雾滴覆盖率较大，说明速度对于对靶喷雾的影响大于连续喷雾。图5不同行驶速度下番茄冠层雾滴覆盖率变化2.1.2 不同作物间隙大小对雾滴覆盖率的影响图6为喷雾机器人行驶速度为1.0m/s时连续与对靶两种喷雾方式下不同作物间隙的雾滴覆盖率变化趋势，图6不同间隙下番茄冠层雾滴覆盖率横坐标为作物间隙，纵坐标为冠层部分的雾滴覆盖率。据图可知，间隙在0.30.6m范围内，连续喷雾状态下各个冠层位置的雾滴覆盖率变化不大，总体趋于平稳，总体保持在39.4%；在对靶喷雾状态下，各个冠层位置的雾滴覆盖率变化较为明显，当间隙从0.3m增大到0.4m时，作物冠层的平均雾滴覆盖率由39.1%降低到32.9%，这是由于存在0.3m的作物间隙，激光雷达无法识别，喷雾单元无法停止，造成了该间隙位置连续喷雾，从而导致该空隙两侧冠层位置雾滴覆盖率较高；当间隙从0.4m增大到0.6m时，各个冠层位置的雾滴覆盖率变化趋于平缓，基本保持在31.7%，说明自动对靶喷雾机器人可以识别0.4m以上的作物间隙，能够在间隙位置停止喷雾，有效降低了农药使用量。2.1.3 不同冠层位置的雾滴沉积分布图7是行驶速度为0.5m/s、番茄空隙大小为0.5 m时13个冠层位置的雾滴覆盖率变化折线图，可知在对靶喷雾状态下作物各个冠层位置雾滴覆盖率能够与连续喷雾状态下保持基本一致，对靶喷雾下的前冠层雾滴覆盖率小于连续喷雾状态下的雾滴覆盖率，这是因为从系统检测到作物信息到喷头开启会有一定的时间差，喷头未完全开启，造成了点2、6、10冠层位置的雾滴覆盖率较低，并且图中对靶状态下的点1、5、9、13冠层位置雾滴覆盖率小于连续状态下的雾滴覆盖率，说明喷雾机器人能够做到在无作物时停止喷雾，在有作物时及时开启，在保证喷雾效果的同时节省了药液使用。在作物空隙点1、5、9、13处，对靶状态下的水敏纸有较小的雾滴覆盖率是因为在喷雾过程中雾滴发生了漂移。图7不同位置采样点冠层雾滴覆盖率2.1.4 不同速度与间隙对雾滴分布均匀性的影响表4为连续喷雾与对靶喷雾两种方式在不同行驶速度和间隙大小下的番茄作物冠层雾滴分布均匀性，在连续喷雾状态下行驶速度与冠层间隙大小等参数对番茄冠层分布均匀性影响较小，基本保持在1020%，随着喷雾机器表3不同速度、间隙大小下不同冠层位置雾滴覆盖率（%）间隙（m）0.30.40.50.60.30.40.50.6左53.351.252.049.944.944.644.441.4中66.464.348.555.858.451.346.554.9右55.358.659.262.451.157.654.352.5左47.945.352.147.734.630.938.239.0中40.649.344.857.136.641.746.045.2右53.238.240.341.945.236.936.434.7左43.646.241.645.137.729.924.725.2中47.638.730.833.546.439.631.332.4右37.233.641.833.333.229.137.635.60.500.751.00速度（m/s）喷雾方式连续喷雾对靶喷雾20304050600.50.751对靶连续行驶速度（m/s）雾滴覆盖率（%）205030400.30.40.50.6间隙大小（m）雾滴覆盖率（%）对靶连续10305070123456789 10 11 12 13对靶连续采样点雾滴覆盖率（%）开发研究 20新疆农机化2023 年第 1 期人行驶速度的增加，其变异系数也逐渐慢慢增大。在对靶喷雾过程中随着行驶速度的增加，其变异系数变化较大，这是因为速度较大造成电磁阀频繁启闭，由于喷雾的滞后导致了前冠层位置的雾滴分布不均从而影响了喷雾效果。表4不同速度和间隙下的雾滴覆盖均匀性在对靶喷雾过程中，当行驶速度为0.5m/s时，随着间隙从0.3m增大到0.6m，其冠层雾滴分布均匀性基本保持在12%左右，可知当喷雾机器人行驶速度较小时间隙大小的变化对冠层雾滴分布的影响不大；当行驶速度增大到1.0m/s时，不同间隙大小所对应的雾滴分布变异系数开始变大，基本保持在18%左右，表明在对靶喷雾时机器人行驶速度较大时对番茄冠层中的雾滴覆盖均匀性影响较大，同时可以看出在行驶速度为0.5m/s、作物间隙大小在0.5m时机具喷雾性能最好。2.2对靶喷雾省药率试验结果表 5 为番茄作物喷雾试验结果，据表可知，与连续喷雾相比，对靶喷雾能够有效减少药液使用量，在空隙比为40.0%和33.3%的番茄作物行中，在0.5m/s的行驶速度下省药率为44.8%和39.0%，在1m/s时省药率为47.5%和40.8%。每行的省药率均大于空隙比，这是因为当激光雷达检测到作物信息时电磁阀开启，药液到达喷头位置此时压力较低，流量小于正常喷雾流量，从而导致省药率大于空隙比。同时随着喷雾机器人行驶速度的增加，总喷雾时间缩短，省药率提高。3讨论自动对靶喷雾机器人能够在作物间隙自主关闭喷头从而有效减少药物浪费、控制温室中的农药污染。与连续喷雾相比，对靶喷雾在作物前冠层位置雾滴覆盖率较低，这是由于作物探测系统具有一定的延迟而导致喷雾滞后，在中后冠层位置与连续喷雾能够基本保持一致。故需要对喷雾系统滞后时间进行研究，获取从激光雷达能够检测到作物信息到喷头能够将药液有效喷出的滞后时间，应通过调整激光雷达与喷头的水平相对位置来保证喷雾过程中的实时准确性。由于喷雾机器人在行驶过程中激光雷达受行驶速度、机具振动及外界环境等影响，其实际探测作物间隙能力会小于理论能力，实际探测距离偏大，故在本次试验中无法识别0.3m作物间隙。因此在实际作业过程中，应该根据作物种植密度选择合适的行驶速度与作物探测范围。4结论为了分析在对靶喷雾状态下不同行驶速度和不同作物间隙对作物不同冠层位置的雾滴沉积分布的影响，试验对对靶喷雾机器人在3种行驶速度与4种间隙大小下不同冠层位置的雾滴覆盖率进行研究。（1）行驶速度对对靶喷雾方式影响较大。当行驶速度为 0.5 m/s 时，番茄冠层的平均雾滴覆盖率最大可达58.4%，变异系数也保持在12%左右；当速度增大到1.0m/s时，平均雾滴覆盖率下降到 33%，变异系数也增大到18%；当速度从0.50.75m/s时的下降趋势大于从0.751.0m/s时，这是由于在速度变大过程中激光雷达无法探测到较小的作物间隙，电磁阀未关闭，从而造成局部雾滴覆盖率较大。（2）当行驶速度为1m/s、间隙大小为0.3m时，激光雷达无法识别此作物间隙从而造成两侧冠层雾滴覆盖率较大，约40%，当间隙大小增大到0.4m时冠层雾滴覆盖率降低到32%左右，并随着间隙的增大变化趋势相对平稳。（3）根据连续与对靶两种喷雾方式下13个番茄冠层位置采样点的雾滴覆盖率变化可知，自动对靶喷雾机器人0.512.111.310.211.213.112.710.814.50.7513.412.713.015.714.514.812.713.31.012.316.016.518.117.217.820.717.10.30.40.50.60.30.40.50.6行驶速度（m/s）连续喷雾方式对靶间隙（m）（下转第 31 页）开发研究 表5番茄作物行喷雾试验结果省药量（mL）省药率（%）0.51.00.51.040.033.312.014.012喷雾量（mL）422238451240标准差15.714.313.717.2喷雾量（mL）233125275142标准差13.610.312.414.9连续喷雾对靶喷雾行驶速度（m s-1）空隙比（%）总长度（m）行号1891131769844.847.539.040.821新疆农机化2023 年第 1 期（上接第 21 页）业增效、农牧民增收，切实加快我地区主要农作物生产全程机械化推进步伐7。参考文献：1杨东明.阿勒泰地区食葵高产栽培机械化种植技术J.新疆农机化，2014（3）：45-47.2李斌，孙晓晓，刘洋，等.食葵机械收获研究现状与展望J.新疆农机化，2022（2）：27-30+34.3王超超.食葵机械化收获的现状探讨J.河北农机，2018（05）：14+30.4张双侠，张雨，何玉忠.背负式葵花收获机的设计与试验J.机械设计，2018（10）：71-75.5周艳生，张静，朱豪杰等.我国葵花收获机研究现状及发展前景J.农业工程，2015（02）：23-26.6王海洋，叶彤，刘兴博，等.我国向日葵机械化收获现状及发展趋势J.农机使用与维修，2021（1）：19-21.7宗望远，刘羊，黄小毛，等.向日葵机械化收获研究现状及发展对策J.江西农业大学学报，2017，39（3）：600-606.能够在检测到作物时及时打开喷头，对靶方式下前冠层位置的雾滴覆盖率相比连续方式下较低，在中、后冠层位置与连续喷雾效果保持基本一致。（4）对靶喷雾机器人能够在作物间隙位置自主关闭喷头，有效减少药液浪费，在空隙比为40%和33.3%的番茄作物行中，在0.5m/s的行驶速度下省药率为44.8%和39.0%，在1m/s时省药率为 47.5%和 40.8%，随着行驶速度的增加其省药率也在增加，因此在实际喷雾作业中应该根据作物的种植密度来选择合适的行驶速度和作物检测范围，以提高冠层雾滴覆盖率和雾滴分布的均匀性。参考文献：1 Garrido Miguel,Perez-Ruiz Manuel,Valero Constantino,et al.Active optical sensors for tree stem detection and classificationinnurseries.J.Sensors(Basel,Switzerland),2014,14(6):10783-10803.2 Denis Stajnko,Peter Berk,Mario Lesnik,et al.ProgrammableUltrasonic Sensing System for Targeted Spraying in 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